一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法及裝置。本發(fā)明將待測管狀物體中插入銅芯作為回波參照，使用點(diǎn)聚焦超聲探頭沿細(xì)長管狀物體截面徑向發(fā)射聚焦聲束，以水作為耦合介質(zhì)采集待測細(xì)長管狀物體近探頭端內(nèi)、外表面以及銅芯的超聲回波信號。利用旋轉(zhuǎn)掃描平臺控制待測細(xì)長管狀物體進(jìn)行細(xì)分步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)過一定微小角度完成一次超聲A掃描及數(shù)據(jù)采集，記錄回波信號，直至旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。通過渡越時(shí)間以及水中聲速計(jì)算水程，結(jié)合測量裝置的高度參數(shù)計(jì)算出聲束聚焦處待測細(xì)長管狀物體的截面壁厚，利用數(shù)值計(jì)算方法處理掃描數(shù)據(jù)并成像。本發(fā)明能夠?qū)?xì)長管狀物體的軸向截面進(jìn)行超聲成像，且無需改造超聲顯微鏡本身結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】
一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用機(jī)電系統(tǒng)以及數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)細(xì)長管狀物體軸向截面形貌檢測的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲技術(shù)以其獨(dú)特的機(jī)械波傳播形式，被人們廣泛認(rèn)識并應(yīng)用于聲納、B-超、超聲探傷等各種領(lǐng)域。目前在超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域中，對于物體內(nèi)部的無損形貌檢測，已經(jīng)有產(chǎn)品化的超聲波掃描顯微鏡，超聲波掃描顯微鏡在縱軸(Z方向)上的分辨率可以達(dá)到Ium級別。超聲波掃描顯微鏡的一個特性就是超聲波可通過聲波穿透彈性材料并且成像的分辨率不弱于光學(xué)顯微鏡，在很多應(yīng)用當(dāng)中，超聲波顯微鏡用來對不透明樣品的內(nèi)部進(jìn)行掃描成像。但是由于聲波特性，聲波在圓柱體表面會易發(fā)生明顯的散射和折射，從而導(dǎo)致回波信號弱以及回波信號混亂，所以超聲檢測的對象一般都是具有平面特征的物體用。
[0003]已有的應(yīng)用于細(xì)長管狀物體超聲檢測有血管內(nèi)超聲(IVUS)技術(shù)，血管內(nèi)超聲(IVUS)技術(shù)通過將帶有超聲系統(tǒng)的細(xì)導(dǎo)管伸入血管，獲取血管壁的聲學(xué)特性，從而檢測其病變組織，比較典型的血管內(nèi)超聲系統(tǒng)包括超聲導(dǎo)管和圖像處理系統(tǒng)兩大部分。超聲導(dǎo)管包括一個可以旋轉(zhuǎn)、彎曲，其尖端帶有超聲換能器晶片的鋼絲軸和一個外部的導(dǎo)管套。導(dǎo)管系統(tǒng)由托架推動，可以產(chǎn)生高頻聲波。高頻超聲從血管壁反射回來并返回系統(tǒng)，通過系統(tǒng)電路的處理后可以形成360°灰階圖像。IVUS最大的問題是操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，應(yīng)用領(lǐng)域受到極大限制。而且對于不同的待測材料，往往不了解其聲學(xué)參數(shù)，這種方法也無法通過傳統(tǒng)聲學(xué)測量計(jì)算出不同材料的細(xì)長管狀物體的壁厚。
[0004]目前對于一些細(xì)長管狀物體的軸向截面形貌檢測，仍使用傳統(tǒng)的光學(xué)檢測手段。以用于周圍受損神經(jīng)修復(fù)的神經(jīng)導(dǎo)管為例，具有內(nèi)溝槽質(zhì)感的神經(jīng)導(dǎo)管可以有效引導(dǎo)神經(jīng)生長，人們需要了解導(dǎo)管截面上的溝槽形貌。傳統(tǒng)的光學(xué)檢測方法需要將導(dǎo)管制成切片，然后對切片斷面進(jìn)行光學(xué)檢測，對導(dǎo)管本身有損傷，而且速度慢，效率低。超聲檢測的方法可以實(shí)現(xiàn)無損檢測，并且提高效率。本發(fā)明使用常見的超聲波掃描顯微鏡，配合機(jī)電系統(tǒng)和數(shù)值計(jì)算手段，實(shí)現(xiàn)對細(xì)長管狀物體壁厚的檢測和軸向截面的超聲成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法及裝置，通過超聲波掃描顯微鏡測量管狀物體的壁厚，檢測軸向截面形貌。適用于彈性材料制作的的具有非圓形內(nèi)表面形貌的細(xì)長管狀物體。
[0006]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:在待測細(xì)長管狀物體中插入銅芯作為回波參照，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的一部分；
[0009]步驟2:將待測管狀物體和銅芯安裝于旋轉(zhuǎn)掃描平臺上，并將待測部分浸沒于水中，以水作為耦合介質(zhì)采集超聲回波；
[0010]步驟3:使用點(diǎn)聚焦超聲探頭沿管狀物體截面徑向發(fā)射聚焦聲束，使聲束沿徑向垂直表面入射；
[0011]步驟4:通過A掃描獲得回波時(shí)域信息和幅值信息，在整個回波信號中找到待測材料內(nèi)、外表面及銅芯表面的回波信號，求得聲波在超聲探頭和待測材料之間以及待測材料和銅芯之間的渡越時(shí)間T0F;
[0012]步驟5:開啟步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)掃描；
[0013]步驟6:每旋轉(zhuǎn)過一定的微小角度之后，完成一次超聲A掃描及數(shù)據(jù)采集，通過閉環(huán)控制循環(huán)這一過程，直至總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360° ;
[0014]步驟7:通過渡越時(shí)間TOF以水中聲速計(jì)算相應(yīng)水程，結(jié)合測量裝置的高度參數(shù)計(jì)算出待測細(xì)長管狀物體壁厚；
[0015]步驟8:通過數(shù)值計(jì)算手段，在三維圖像90°俯視視角上呈現(xiàn)聲束聚焦處的截面形貌。
[0016]所述步驟I包含如下子步驟:
[0017]步驟1-1:估測待測細(xì)長管狀物體軸向截面最小內(nèi)徑；
[0018]步驟1-2:選用合適銅芯，使銅芯直徑接近物體軸向截面最小內(nèi)徑，形成過盈配合，并且使銅芯長度大于待測細(xì)長管狀物體長度，多出長度數(shù)值以便于夾持為原則；
[0019]步驟1-3:將銅芯拉直，使其軸線直線度公差在Φ 0.05mm以內(nèi)，將銅芯插入管狀物體。
[0020]所述步驟2包含如下子步驟:
[0021]步驟2-1:將銅芯固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺水下部分，使銅芯與浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸度公差在Φ 0.05mm以內(nèi)；
[0022]步驟2-2:向水槽中注水，使旋轉(zhuǎn)掃描平臺浸水旋轉(zhuǎn)部分和點(diǎn)聚焦超聲探頭收發(fā)端浸沒入水中，同時(shí)使旋轉(zhuǎn)動力部分處于水面以上。
[0023]所述步驟4包含如下子步驟:
[0024]步驟4-1:通過超聲探頭運(yùn)動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)探頭高度，使聚焦聲束聚焦于待測物體截面的近探頭端內(nèi)外表面處；
[0025]步驟4-2:獲取完整回波信號SKt)，其中包含細(xì)長管狀物體截面近探頭端內(nèi)、外表面及銅芯表面回波信號；
[0026]步驟4-3:求取回波信號S1U)的包絡(luò)線，并對包絡(luò)線進(jìn)行波峰判定，并按照波峰時(shí)域順序由先至后進(jìn)行排序。前三個波峰的信號時(shí)刻分別為分別代表待測管狀物體近探頭端外表面、待測管狀物體近探頭端內(nèi)表面、銅芯表面回波信號時(shí)刻;則外表面與超聲探頭之間的渡越時(shí)間TOF1= I ti I，則內(nèi)表面與銅芯之間的渡越時(shí)間TOF2= I t2_t31。
[0027]所述步驟6包含如下子步驟:
[0028]步驟6-1:基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過傳動裝置帶動浸水旋轉(zhuǎn)部分中的浸水旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；
[0029]步驟6-2:旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)完成一步微小角度的旋轉(zhuǎn)之后，停止運(yùn)動；
[0030]步驟6-3:基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路通過RS232協(xié)議向工控機(jī)發(fā)送串口信號，工控機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一組回波信號采集并存儲數(shù)據(jù)；
[0031]步驟6-4:完成數(shù)據(jù)采集及存儲之后，工控機(jī)通過RS232協(xié)議向基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路發(fā)送串口信號，基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動；
[0032]步驟6-5:重復(fù)步驟6-1、6-2、6-3、6-4、6-5直至浸水旋轉(zhuǎn)軸總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。
[0033]所述步驟7包含如下子步驟:
[0034]步驟7-1:Co為實(shí)驗(yàn)條件下水中的聲速，超聲探頭與待測細(xì)長管狀物體截面外表面間的距離31 = 1'(^乂0)/2，待測細(xì)長管狀物體截面內(nèi)表面與銅芯表面間的距離
[0035]S2 = TOF2 X Co/2；
[0036]步驟7-2:在無旋轉(zhuǎn)掃描裝置的情況下，獲取完整回波信號S2(t)，測出聲波在超聲探頭與水槽底部之間渡越時(shí)間TOF3,超聲探頭與水槽底部之間的距離S3 = T0F3XCq/2;
[0037]步驟7-3:根據(jù)旋轉(zhuǎn)掃描裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)以及銅芯直徑，易知銅芯表面與水槽底部的距離S4;
[0038]步驟7-4:聲束聚焦處的截面近超聲探頭端的壁厚S = S3 — S4-S2-S1d
[0039]所述步驟8包含如下子步驟:
[0040]步驟8-1:求取回波信號Sn(t)的包絡(luò)線(η= I，2，3…)，取具有代表性的數(shù)個掃描波形，判斷掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍；
[0041 ]步驟8-2:取掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍，將所有回波信號的有效包絡(luò)線數(shù)據(jù)存入二維矩陣中，矩陣列數(shù)為數(shù)據(jù)組數(shù)η，矩陣行數(shù)為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)m;
[0042]步驟8-3:將二維矩陣在柱坐標(biāo)系中成環(huán)形三維圖像，柱坐標(biāo)系中的平面極坐標(biāo)變量r為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)的倒序數(shù)、平面極坐標(biāo)變量φ為銅芯旋轉(zhuǎn)角度即O?360°，共η段，等差角度為360/η°，縱坐標(biāo)高度變量ζ為每個數(shù)據(jù)的數(shù)值；
[0043]步驟8-4:三維圖像按照ζ軸高度顯示不同色差，在三維圖像90°俯視視角上觀察圖形，顯示聲束聚焦處的截面形貌。
[0044]一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像裝置，包括超聲發(fā)射與接收裝置、超聲信號采集裝置，超聲探頭運(yùn)動控制裝置、工控機(jī)、基于MCU的嵌入式系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)掃描平臺。
[0045]超聲發(fā)射與接收裝置包括一個點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置，一個點(diǎn)聚焦超聲探頭、一臺超聲發(fā)射/接收器。點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置固定在xyz三軸運(yùn)動平臺上，用于夾持點(diǎn)聚焦超聲探頭，夾持時(shí)使探頭軸向垂直水槽底部平面；點(diǎn)聚焦超聲探頭的接線端與超聲發(fā)射/接收器相連。
[0046]超聲信號采集裝置包括一個高頻的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)據(jù)采集卡。采樣頻率大于500兆赫茲;經(jīng)調(diào)理后的信號經(jīng)超聲發(fā)射/接收器的輸出端輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號輸入數(shù)據(jù)采集卡;數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與工控機(jī)連接，工控機(jī)通過PCI總線讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)字信號，通過編程接口獲取超聲回波信號；
[0047]超聲探頭運(yùn)動控制裝置包括xyz三軸運(yùn)動平臺、探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器。xyz三軸運(yùn)動平臺可在X、y、Z三個方向上自由運(yùn)動，三個運(yùn)動電機(jī)的輸入端連接到探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器上;探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器控制xyz三軸運(yùn)動平臺三個方向上的運(yùn)動，探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器通過USB線纜與工控機(jī)相連，數(shù)據(jù)處理軟件則通過編程接口獲取光柵尺讀數(shù)頭的計(jì)數(shù)編碼從而確定精確的運(yùn)動位置。
[0048]工控機(jī)通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡通訊，通過串口與基于MCU的嵌入式系統(tǒng)通訊，通過USB線纜與運(yùn)動控制器通訊；工控機(jī)通過C#編寫的上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，工作時(shí)序控制，數(shù)據(jù)采集，并且通過數(shù)值處理軟件進(jìn)行信號處理和數(shù)值分析。
[0049]基于MCU的嵌入式系統(tǒng)包括基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路和旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入端與基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路連接，可接收基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路的控制信號;旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸出端與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)連接，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動?；贛CU的嵌入式系統(tǒng)電路采用AT系列芯片，與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接并向其發(fā)送控制信號;系統(tǒng)電路通過RS232串口協(xié)議與工控機(jī)通訊，AT系列芯片中的下位機(jī)程序與工控機(jī)上位機(jī)程序協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描的閉環(huán)控制;基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路可以控制步進(jìn)電機(jī)的停止與運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，實(shí)時(shí)顯示掃描速度和已進(jìn)行的A掃描的次數(shù)。
[0050]旋轉(zhuǎn)掃描平臺包括旋轉(zhuǎn)動力部分，傳動裝置與浸水旋轉(zhuǎn)部分。動力部分包括步進(jìn)電機(jī)，側(cè)板等。步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連，測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)處于水面以上;側(cè)板固定步進(jìn)電機(jī)，處于半浸沒狀態(tài)。傳動裝置采用V型同步帶傳動，主動同步輪與步進(jìn)電機(jī)軸同軸聯(lián)接，處于水面以上，從動同步輪與浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸聯(lián)接，處于水面以下；同步帶處于半浸沒狀態(tài)。浸水旋轉(zhuǎn)部分包括水下旋轉(zhuǎn)掃描平臺和銅芯夾持部分。水下旋轉(zhuǎn)掃描平臺包括底板、軸承架，軸承等;底板固定軸承架，軸承架固定軸承，軸承與浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸聯(lián)接。銅芯夾持部分包括浸水旋轉(zhuǎn)軸和夾持固定。浸水旋轉(zhuǎn)軸與銅芯以及從動同步輪同軸聯(lián)接;夾持固定與浸水旋轉(zhuǎn)軸共同固定銅芯，在浸水旋轉(zhuǎn)軸與銅芯空隙間填充粘性填充物。
[0051]由本發(fā)明提供的以上技術(shù)方案可以看出:
[0052]本發(fā)明將可以測量不同彈性材料細(xì)長管狀物體的壁厚度，并且檢測任意軸向截面的形貌特征。本發(fā)明在不改變常用超聲顯微鏡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，克服了聲波在經(jīng)過圓柱體表面時(shí)易發(fā)生散射、折射的困難。為超聲檢測細(xì)長管狀物體截面形貌提供了一種切實(shí)可行的方案，為超聲無損檢測技術(shù)在類圓柱體物體上的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本發(fā)明具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0053]為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單介紹。顯而易見，下面描述的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例。
[0054]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像裝置框架結(jié)構(gòu)圖；
[0055]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中點(diǎn)聚焦超聲探頭與待測物體以及銅芯的位置關(guān)系圖；
[0056]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)掃描平臺運(yùn)動結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)掃描平臺可動軸承架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖；
[0058]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的待測細(xì)長管狀物體近的近探頭端內(nèi)、外表面及銅芯表面的完整回波不意圖；
[0059]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中的待測細(xì)長管狀物體近的近探頭端內(nèi)、外表面及銅芯表面的完整回波有效數(shù)據(jù)段的包絡(luò)線示意圖；
[0060]
[0061]圖中:工控機(jī)101、基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路102、數(shù)據(jù)采集卡103、模數(shù)轉(zhuǎn)換器104、旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器105、探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器106、超聲發(fā)射/接受器107、xyz三軸運(yùn)動平臺108、點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置109、點(diǎn)聚焦超聲探頭110、旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)111、主動同步帶輪112、同步帶113、旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板114、從動同步帶輪115、側(cè)板固定角碼116、旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板117、固定軸承架端蓋118、固定軸承架119、前浸水旋轉(zhuǎn)軸120、銅芯夾持架121、銅芯122、后浸水旋轉(zhuǎn)軸123、可動軸承架124、可動軸承架端蓋125、水槽126、聚焦聲束201、待測物體202、后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承301、前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承302、旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)主軸303、可動軸承架調(diào)節(jié)螺栓401、可動軸承架調(diào)節(jié)螺母402、可動軸承架調(diào)節(jié)墊片403、完整回波信號SKtbOl、銅芯表面回波信號502、待測管狀物體內(nèi)表面回波信號503、待測管狀物體外表面回波信號504、完整回波信號有效數(shù)據(jù)段包絡(luò)線601、銅芯表面回波信號波峰t3時(shí)刻602、待測管狀物體近探頭端內(nèi)表面回波信號波峰〖2時(shí)刻603、待測管狀物體近探頭端外表面回波信號波峰^時(shí)刻604。
【具體實(shí)施方式】
[0062]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。對于不采用圖3所示旋轉(zhuǎn)掃描平臺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)以及圖4所示旋轉(zhuǎn)掃描平臺可動軸承架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的相關(guān)裝置，本發(fā)明測量方法依然適用?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0063]圖1顯示了本發(fā)明所提供的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像裝置的框架結(jié)構(gòu)圖，展示了該裝置包括超聲發(fā)射與接收裝置、超聲信號采集裝置、超聲探頭運(yùn)動控制裝置、工控機(jī)、基于MCU的嵌入式系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)掃描平臺。
[0064]超聲發(fā)射與接收裝置包括107超聲發(fā)射/接受器、109點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置、110點(diǎn)聚焦超聲探頭。107超聲發(fā)射/接受器的輸入端與110點(diǎn)聚焦超聲探頭連接，工作時(shí)，107超聲發(fā)射/接受器激勵110點(diǎn)聚焦超聲探頭產(chǎn)生超聲波，并接受來自110點(diǎn)聚焦超聲探頭的回波信號；107超聲發(fā)射/接受器的輸出端與104模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，工作時(shí)，107超聲發(fā)射/接受器將經(jīng)調(diào)理后的回波信號輸入104模數(shù)轉(zhuǎn)換器；110點(diǎn)聚焦超聲探頭安裝在109點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置上，固定狀態(tài)下，110點(diǎn)聚焦超聲探頭軸向垂直于水槽底部平面；109點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置安裝在108xyz三軸運(yùn)動平臺上，能夠在x、y、z三軸方向上自由移動，移動時(shí)攜帶110點(diǎn)聚焦超聲探頭共同運(yùn)動。
[0065]超聲信號采集裝置包括103數(shù)據(jù)采集卡、104模數(shù)轉(zhuǎn)換器。104模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端與107超聲發(fā)射/接受器連接，接收來自107超聲發(fā)射/接受器的經(jīng)調(diào)理后的回波信號；104模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與的103數(shù)據(jù)采集卡連接，104模式轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號輸入到103數(shù)據(jù)采集卡；103數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與101工控機(jī)連接。
[0066]超聲探頭運(yùn)動控制裝置包括1Sxyz三軸運(yùn)動平臺、106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器，108xyz三軸運(yùn)動平臺能夠在x、y、z三個方向上自由運(yùn)動，三個運(yùn)動電機(jī)輸入端連接到106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器上；106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器控制108xyz三軸運(yùn)動平臺三個方向上的運(yùn)動，106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器通過USB線纜與101工控機(jī)相連，101工控機(jī)中的數(shù)據(jù)處理模塊則通過編程接口獲取光柵尺讀數(shù)頭的計(jì)數(shù)編碼從而確定精確的運(yùn)動位置。
[0067]101工控機(jī)通過PCI總線與103數(shù)據(jù)采集卡通訊，通過RS232串口協(xié)議與102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路通訊，通過USB線纜與106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器通訊。
[0068]工作時(shí)，101工控機(jī)通過PCI總線讀取106數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)信號，101工控機(jī)通過編程接口獲取超聲回波的數(shù)字信號；101工控機(jī)控制106探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器、102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路、103數(shù)據(jù)采集卡以及107超聲發(fā)射/接受器，從而進(jìn)行運(yùn)動控制、工作時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集，并且通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行信號處理和數(shù)值計(jì)算。
[0069]基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)包括102基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路、105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入端與102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路連接，可接收102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路的控制信號；105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸出端與111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)連接，驅(qū)動111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動。102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路與105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接并發(fā)送控制信號，通過RS232串口協(xié)議與101工控機(jī)通訊。
[0070]工作時(shí)，102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路中的下位機(jī)程序與101工控機(jī)上位機(jī)程序協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描的閉環(huán)控制；102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路通過105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)的停止與運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，實(shí)時(shí)顯示掃描速度和已進(jìn)行的A掃描的次數(shù)。
[0071]旋轉(zhuǎn)掃描平臺包括旋轉(zhuǎn)動力部分、傳動裝置與浸水旋轉(zhuǎn)部分，整個旋轉(zhuǎn)掃描平臺放置于126水槽中，浸水旋轉(zhuǎn)部分在水面以下，傳動裝置半浸沒于水中，旋轉(zhuǎn)動力部分在水面以上
[0072]旋轉(zhuǎn)動力部分包括111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)、112主動同步帶輪。111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)輸入端與105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接并由105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動，111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)活動固定在114旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板上，111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)能夠調(diào)節(jié)垂直高度以調(diào)節(jié)帶輪中心距；112主動同步帶輪與303旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)主軸同軸連接；
[0073]傳動裝置包括113同步帶、112主動同步帶輪、115從動同步帶輪。113同步帶連接112主動同步帶輪與115從動同步帶輪，將旋轉(zhuǎn)動力從112主動同步帶輪傳遞到115從動同步帶輪;114旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板固定111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)，可以調(diào)節(jié)111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)高度，114旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板通過116側(cè)板固定角碼安裝在117旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板上。
[0074]浸水旋轉(zhuǎn)部分包括117旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板、118固定軸承架端蓋、119固定軸承架、120前浸水旋轉(zhuǎn)軸、121銅芯夾持架、122銅芯、123后浸水旋轉(zhuǎn)軸、124可動軸承架、125可動軸承架端蓋、126水槽、301后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、302前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承。122銅芯、123后浸水旋轉(zhuǎn)軸、120前浸水旋轉(zhuǎn)軸、301后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、302前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、118固定軸承架端蓋、125可動軸承架端蓋均與115從動同步帶輪同軸連接;114旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板、119固定軸承架、124可動軸承架均固定在117旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板；119固定軸承架和118固定軸承架端蓋共同固定302前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承；124可動軸承架和125可動軸承架端蓋共同固定301后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承;401可動軸承架調(diào)節(jié)螺栓、402可動軸承架調(diào)節(jié)螺母、403可動軸承架調(diào)節(jié)墊片將124可動軸承架以一種能夠前后移動的方式固定在117旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板上；121銅芯夾持架將122銅芯固定于120前浸水旋轉(zhuǎn)軸上，202待測物體套在122銅芯上，其內(nèi)表面最小圓截面與122銅芯形成過盈配合。
[0075]圖2顯示了本發(fā)明實(shí)施例中110點(diǎn)聚焦超聲探頭與202待測物體以及122銅芯的位置關(guān)系。110點(diǎn)聚焦超聲探頭垂直126水槽底部安裝;201聚焦聲束沿122銅芯徑向入射；122銅芯插入202待測物體，并且122銅芯與202待測物體軸向截面最小內(nèi)徑形成過盈配合。
[0076]圖3顯示了旋轉(zhuǎn)掃描平臺中的動力部分。工作時(shí)，105旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，111旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動303旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，303旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)主軸通過112主動同步帶輪、113同步帶、115從動同步帶輪將旋轉(zhuǎn)動力傳遞到120前浸水旋轉(zhuǎn)軸上，302前浸水旋轉(zhuǎn)軸帶動122銅芯、202待測物體、123后浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)。
[0077]圖4顯示了旋轉(zhuǎn)掃描平臺中的可動軸承架;可動軸承架通過401可動軸承架調(diào)節(jié)螺栓、402可動軸承架調(diào)節(jié)螺母、403可動軸承架調(diào)節(jié)墊片固定在117旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板上的“T”型槽中，“T”型槽的長度為100mm;松動402可動軸承架調(diào)節(jié)螺母后，124可動軸承架可以在“T”型槽的10mm空隙中自由平行移動，當(dāng)124可動軸承架移動到適應(yīng)銅芯長度的位置后，擰緊402可動軸承架調(diào)節(jié)螺母即可再次固定124可動軸承架。
[0078]圖5顯示了對202待測物體及122銅芯進(jìn)行一次A掃描所得的501完整回波信號S1(t)、其中包含502銅芯表面回波信號、503待測管狀物體內(nèi)表面回波信號、504待測管狀物體外表面回波信號。
[0079]圖6顯示了對501完整回波信號SKt)進(jìn)行包絡(luò)線求取所得的601完整回波信號有效數(shù)據(jù)段包絡(luò)線。其中包含了 602銅芯表面回波信號波峰t3時(shí)刻、603待測管狀物體近探頭端內(nèi)表面回波信號波峰〖2時(shí)刻、604待測管狀物體近探頭端外表面回波信號波峰^時(shí)刻。
[0080]結(jié)合上述實(shí)施例，具體的測量步驟如下:
[0081]
[0082]第一步，在202待測物體中插入122銅芯作為回波參照，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的一部分:
[0083](1-1)估測202待測物體軸向截面最小內(nèi)徑；
[0084](1-2)選用合適122銅芯，使122銅芯直徑接近物體軸向截面最小內(nèi)徑，形成過盈配合，并且使122銅芯長度大于待測細(xì)長管狀物體長度，多出長度數(shù)值以便于夾持為原則；
[0085](1-3)將122銅芯拉直，使其軸線直線度公差在Φ0.05mm以內(nèi)，將122銅芯插入202待測物體。
[0086]第二步，將202待測物體和122銅芯安裝于旋轉(zhuǎn)掃描平臺上，并將待測部分浸沒于水中，以水作為耦合介質(zhì)采集超聲回波:
[0087](2-1)將122銅芯固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺水下部分，使122銅芯與120前浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸度公差在Φ 0.05mm以內(nèi)；
[0088]整個旋轉(zhuǎn)掃描平臺平放置于126水槽中，浸水旋轉(zhuǎn)部分在水面以下，傳
[0089]動裝置半浸沒于水中，旋轉(zhuǎn)動力部分在水面以上
[0090](2-2)向125水槽中注水，使旋轉(zhuǎn)掃描平臺浸水旋轉(zhuǎn)部分及110點(diǎn)聚焦超聲探頭收發(fā)端浸沒入水中，同時(shí)使旋轉(zhuǎn)動力部分處于水面以上。
[0091]第三步，使用110點(diǎn)聚焦超聲探頭沿管狀物體截面徑向發(fā)射201聚焦聲束，使201聚焦聲束沿徑向垂直入射:
[0092](3-1)開啟101工控機(jī)。
[0093](3-2)開啟基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)、超聲探頭運(yùn)動控制裝置的電源，預(yù)熱時(shí)間5分鐘以上。
[0094](3-3)在101工控機(jī)上位機(jī)界面中操作，控制1Sxyz三軸運(yùn)動平臺移動，通過目測使110點(diǎn)聚焦超聲探頭大致聚焦到待測材料及122銅芯處。
[0095](3-3)控制108xyz三軸運(yùn)動平臺在xy平面中移動，移動方向?yàn)榇怪?22銅芯軸線方向，當(dāng)回波信號峰值最高時(shí)，停止移動。此時(shí)201聚焦聲束122銅芯截面徑向發(fā)射。
[0096]第四步，通過A掃描獲得回波時(shí)域信息和幅值信息，在501完整回波信號SKt)中找到待測材料內(nèi)、外表面及銅芯表面的回波信號，求得聲波在超聲探頭和202待測物體之間以及202待測物體和122銅芯之間的渡越時(shí)間TOF:
[0097](4-1)控制108xyz三軸運(yùn)動平臺在ζ軸方向上移動，使201聚焦聲束聚焦于202待測物體截面近探頭端內(nèi)表面處(具體的聚焦判定方法參考居冰峰等在專利ZL201010520433.1中提供的方法)；
[0098](4-2)控制108xyz三軸運(yùn)動平臺在xy平面中移動，運(yùn)動方向?yàn)槠叫?22銅芯軸線方向，使探頭對準(zhǔn)待測截面處；
[0099](4-3)在101工控機(jī)上位機(jī)界面中操作，進(jìn)行一次A掃描，獲取501完整回波信號S1⑴；
[0100](4-4)求取501完整回波信號Si(t)有效數(shù)據(jù)段的包絡(luò)線，并對601完整回波信號有效數(shù)據(jù)段包絡(luò)線進(jìn)行波峰判定，并按照波峰時(shí)域順序由先至后進(jìn)行排序。前三個波峰的信號時(shí)刻分別為604待測管狀物體近探頭端外表面回波信號波峰^時(shí)刻、603待測管狀物體近探頭端內(nèi)表面回波信號波峰t2時(shí)刻、602銅芯表面回波信號波峰t3時(shí)刻；
[0101](4-5)計(jì)算得，超聲波在外表面與超聲探頭之間的渡越時(shí)間TOF1= It1I，在內(nèi)表面與銅芯之間的渡越時(shí)間TOF2= I t2-t31。
[0102]第五步，開啟步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)掃描:
[Ο1。3] (5-1)使檢測裝置維持(4-2)操作后的狀態(tài)；
[0104](5-2)在102基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路中操作，調(diào)節(jié)掃描速度，并通過102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路中顯示屏確認(rèn)掃描速度；
[0105](5-3)在101工控機(jī)上位機(jī)界面中操作，設(shè)定掃描數(shù)據(jù)保存路徑；
[0106](5-4)單擊按鈕，開啟旋轉(zhuǎn)掃描；
[0107]第六步，每旋轉(zhuǎn)過一定的微小角度之后，完成一次超聲A掃描及數(shù)據(jù)采集，通過閉環(huán)控制循環(huán)這一過程，直至總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°:
[0108](6-1)掃描過程中，觀察101工控機(jī)上位機(jī)界面及102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路顯示屏，確保掃描數(shù)據(jù)正確度并完成足夠掃描次數(shù)，且掃描過程由101工控機(jī)控制自動完成；
[0109](6-2)基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制111旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過傳動裝置帶動浸水旋轉(zhuǎn)部分中的浸水旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；
[0110](6-3) 111旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)完成一步微小角度的旋轉(zhuǎn)之后，停止運(yùn)動；
[0111](6-4) 102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路通過RS232協(xié)議向101工控機(jī)發(fā)送串口信號，101工控機(jī)控制103數(shù)據(jù)采集卡和104模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一組回波信號采集并存儲數(shù)據(jù)；
[0112](6-5)完成數(shù)據(jù)采集及存儲之后，101工控機(jī)通過RS232協(xié)議向102基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路發(fā)送串口信號，基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動。
[0113](6-6)重復(fù)步驟6-1、6-2、6-3、6-4、6-5直至浸水旋轉(zhuǎn)軸總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。
[0114]第七步，通過渡越時(shí)間TOF以水中聲速計(jì)算相應(yīng)水程，結(jié)合測量裝置的高度參數(shù)計(jì)算出待測細(xì)長管狀物體壁厚:
[0115](7-l)Co為實(shí)驗(yàn)條件下水中的聲速；
[0116](7-2)計(jì)算得，110點(diǎn)聚焦超聲探頭與待測細(xì)長管狀物體外表面間的距離S1 = TOF1X Co/2，待測細(xì)長管狀物體內(nèi)表面與122銅芯間的距離S2 = TOF 2 X Co/2 ；
[0117](7-3)在無旋轉(zhuǎn)掃描裝置的情況下，獲取完整回波信號S2(t)，測出聲波在110點(diǎn)聚焦超聲探頭與126水槽底部之間渡越時(shí)間TOF3,110點(diǎn)聚焦超聲探頭與126水槽底部之間的距離 S3 = TOF3 X Co/2;
[0118](7-4)根據(jù)旋轉(zhuǎn)掃描裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)以及122銅芯直徑，獲得122銅芯表面與126水槽底部的距離S4。
[0119](7-5)計(jì)算得，聲束聚焦處的截面近超聲探頭端的壁厚S = S3 — S4-S2 — Si。
[0120]第八步，通過數(shù)值計(jì)算手段，在三維圖像90°俯視視角上呈現(xiàn)聲束聚焦處的截面形貌:
[0121](8-1)求取完整回波信號Sn(t)的包絡(luò)線(η= I，2，3...)，取具有代表性的數(shù)個掃描波形，判斷掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍；
[0122](8-2)取掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍，將所有回波信號的有效包絡(luò)線數(shù)據(jù)存入二維矩陣中，矩陣列數(shù)為數(shù)據(jù)組數(shù)η，矩陣行數(shù)為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)m;
[0123](8-3)將二維矩陣在柱坐標(biāo)系中成環(huán)形三維圖像，柱坐標(biāo)系中的平面極坐標(biāo)變量r為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)的倒序數(shù)、平面極坐標(biāo)變量Φ為銅芯旋轉(zhuǎn)角度即O?360°，共η段，等差角度為360/η°，縱坐標(biāo)高度變量ζ為每個數(shù)據(jù)的數(shù)值；
[0124](8-4)三維圖像按照ζ軸高度顯示不同色差，在三維圖像90°俯視視角上觀察圖形，顯示聲束聚焦處的截面形貌。
[0125]以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法及裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其思想。同時(shí)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會有所改變。因此，本發(fā)明實(shí)施例不應(yīng)理解為對本
【發(fā)明內(nèi)容】
的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:在待測細(xì)長管狀物體中插入銅芯作為回波參照，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的一部分； 步驟2:將待測管狀物體和銅芯安裝于旋轉(zhuǎn)掃描平臺上，并將待測部分浸沒于水中，以水作為耦合介質(zhì)采集超聲回波； 步驟3:使用點(diǎn)聚焦超聲探頭沿管狀物體截面徑向發(fā)射聚焦聲束，使聲束沿徑向垂直表面入射； 步驟4:通過A掃描獲得回波時(shí)域信息和幅值信息，在整個回波信號中找到待測材料內(nèi)、外表面及銅芯表面的回波信號，求得聲波在超聲探頭和待測材料之間以及待測材料和銅芯之間的渡越時(shí)間TOF; 步驟5:開啟步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)掃描； 步驟6:每旋轉(zhuǎn)過一定的微小角度之后，完成一次超聲A掃描及數(shù)據(jù)采集，通過閉環(huán)控制循環(huán)這一過程，直至總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360° ; 步驟7:通過渡越時(shí)間TOF以水中聲速計(jì)算相應(yīng)水程，結(jié)合測量裝置的高度參數(shù)計(jì)算出待測細(xì)長管狀物體壁厚； 步驟8:通過數(shù)值計(jì)算手段，在三維圖像90°俯視視角上呈現(xiàn)聲束聚焦處的截面形貌。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟I包含如下子步驟: 步驟1-1:估測待測細(xì)長管狀物體軸向截面最小內(nèi)徑； 步驟1-2:選用合適銅芯，使銅芯直徑接近物體軸向截面最小內(nèi)徑，形成過盈配合，并且使銅芯長度大于待測細(xì)長管狀物體長度，多出長度數(shù)值以便于夾持為原則； 步驟1-3:將銅芯拉直，使其軸線直線度公差在Φ 0.05mm以內(nèi)，將銅芯插入管狀物體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟2包含如下子步驟: 步驟2-1:將銅芯固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺水下部分，使銅芯與浸水旋轉(zhuǎn)軸同軸度公差在Φ0.05mm以內(nèi)； 步驟2-2:向水槽中注水，使旋轉(zhuǎn)掃描平臺浸水旋轉(zhuǎn)部分和點(diǎn)聚焦超聲探頭收發(fā)端浸沒入水中，同時(shí)使旋轉(zhuǎn)動力部分處于水面以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟4包含如下子步驟: 步驟4-1:通過超聲探頭運(yùn)動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)探頭高度，使聚焦聲束聚焦于待測物體截面的近探頭端內(nèi)外表面處； 步驟4-2:獲取完整回波信號SKt)，其中包含細(xì)長管狀物體截面近探頭端內(nèi)、外表面及銅芯表面回波信號； 步驟4-3:求取回波信號SKt)的包絡(luò)線，并對包絡(luò)線進(jìn)行波峰判定，并按照波峰時(shí)域順序由先至后進(jìn)行排序;前三個波峰的信號時(shí)刻分別為分別代表待測管狀物體近探頭端外表面、待測管狀物體近探頭端內(nèi)表面、銅芯表面回波信號時(shí)刻;則外表面與超聲探頭之間的渡越時(shí)間TOF1= I ti I，則內(nèi)表面與銅芯之間的渡越時(shí)間TOF2= I t2-t31。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟6包含如下子步驟: 步驟6-1:基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過傳動裝置帶動浸水旋轉(zhuǎn)部分中的浸水旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 步驟6-2:旋轉(zhuǎn)平臺步進(jìn)電機(jī)完成一步微小角度的旋轉(zhuǎn)之后，停止運(yùn)動； 步驟6-3:基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路通過RS232協(xié)議向工控機(jī)發(fā)送串口信號，工控機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一組回波信號采集并存儲數(shù)據(jù)； 步驟6-4:完成數(shù)據(jù)采集及存儲之后，工控機(jī)通過RS232協(xié)議向基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路發(fā)送串口信號，基于MCU的嵌入式系統(tǒng)控制電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動； 步驟6-5:重復(fù)步驟6-1、6-2、6-3、6-4、6_5直至浸水旋轉(zhuǎn)軸總旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟7包含如下子步驟: 步驟7-1:Co為實(shí)驗(yàn)條件下水中的聲速，超聲探頭與待測細(xì)長管狀物體截面外表面間的距離S1 = TOF1 X Co/2，待測細(xì)長管狀物體截面內(nèi)表面與銅芯表面間的距離S2 = TOF2 X Co/2 ；步驟7-2:在無旋轉(zhuǎn)掃描裝置的情況下，獲取完整回波信號S2(t)，測出聲波在超聲探頭與水槽底部之間渡越時(shí)間TOF3,超聲探頭與水槽底部之間的距離S3 = T0F3XCq/2; 步驟7-3:根據(jù)旋轉(zhuǎn)掃描裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)以及銅芯直徑，易知銅芯表面與水槽底部的距離S4; 步驟7-4:聲束聚焦處的截面近超聲探頭端的壁厚S = S3-S4-S2-Su7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法，其特征在于，步驟8包含如下子步驟: 步驟8-1:求取回波信號Sn( t)的包絡(luò)線，其中η=1，2，3.._;取具有代表性的數(shù)個掃描波形，判斷掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍； 步驟8-2:取掃描數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)的范圍，將所有回波信號的有效包絡(luò)線數(shù)據(jù)存入二維矩陣中，矩陣列數(shù)為數(shù)據(jù)組數(shù)η，矩陣行數(shù)為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)m; 步驟8-3:將二維矩陣在柱坐標(biāo)系中成環(huán)形三維圖像，柱坐標(biāo)系中的平面極坐標(biāo)變量r為每個包絡(luò)線中的有效數(shù)據(jù)的倒序數(shù)、平面極坐標(biāo)變量Φ為銅芯旋轉(zhuǎn)角度即O?360°，共η段，等差角度為360/η°，縱坐標(biāo)高度變量ζ為每個數(shù)據(jù)的數(shù)值； 步驟8-4:三維圖像按照ζ軸高度顯示不同色差，在三維圖像90°俯視視角上觀察圖形，顯示聲束聚焦處的截面形貌。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法使用的裝置，包括超聲發(fā)射與接收裝置、超聲信號采集裝置，超聲探頭運(yùn)動控制裝置、工控機(jī)、基于MCU的嵌入式系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)掃描平臺，其特征在于: 超聲發(fā)射與接收裝置包括超聲發(fā)射/接受器、點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置、點(diǎn)聚焦超聲探頭；點(diǎn)聚焦超聲探頭夾持裝置固定在xyz三軸運(yùn)動平臺上，用于夾持點(diǎn)聚焦超聲探頭，夾持時(shí)使探頭軸向垂直水槽底部平面;點(diǎn)聚焦超聲探頭的接線端與超聲發(fā)射/接收器相連；超聲信號采集裝置包括數(shù)據(jù)采集卡、模數(shù)轉(zhuǎn)換器;模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端與超聲發(fā)射/接受器連接，接收來自超聲發(fā)射/接受器的經(jīng)調(diào)理后的回波信號;模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與的數(shù)據(jù)采集卡連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡;數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與工控機(jī)連接;工控機(jī)通過PCI總線讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)字信號，通過編程接口獲取超聲回波信號； 超聲探頭運(yùn)動控制裝置包括xyz三軸運(yùn)動平臺、探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器。xyz三軸運(yùn)動平臺能夠在X、y、ζ三個方向上自由運(yùn)動，三個運(yùn)動電機(jī)輸入端連接到探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器上;探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器控制xyz三軸運(yùn)動平臺三個方向上的運(yùn)動，探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器通過USB線纜與工控機(jī)相連，工控機(jī)中的數(shù)據(jù)處理模塊則通過編程接口獲取光柵尺讀數(shù)頭的計(jì)數(shù)編碼從而確定精確的運(yùn)動位置;工控機(jī)通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡通訊，通過RS串口協(xié)議與基于M⑶的嵌入式系統(tǒng)電路通訊，通過USB線纜與探頭運(yùn)動平臺運(yùn)動控制器通訊； 基于MCU的嵌入式系統(tǒng)包括基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路、旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器;旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入端與基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路連接，可接收基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路的控制信號;旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸出端與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)連接，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動;基于MCU的嵌入式系統(tǒng)電路與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接并向其發(fā)送控制信號，系統(tǒng)電路通過RS串口協(xié)議與工控機(jī)通訊。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種細(xì)長管狀物體軸向截面的超聲成像方法使用的裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)掃描平臺包括旋轉(zhuǎn)動力部分、傳動裝置與浸水旋轉(zhuǎn)部分，整個旋轉(zhuǎn)掃描平臺放置于水槽中，浸水旋轉(zhuǎn)部分在水面以下，傳動裝置半浸沒于水中，旋轉(zhuǎn)動力部分在水面以上； 旋轉(zhuǎn)動力部分包括旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)、主動同步帶輪;旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)輸入端與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接并由旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板上，能夠改變垂直高度以調(diào)節(jié)帶輪中心距;主動同步帶輪與旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)主軸同軸連接； 傳動裝置包括同步帶、主動同步帶輪、從動同步帶輪，旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板；同步帶連接主動同步帶輪與從動同步帶輪，將旋轉(zhuǎn)動力從主動同步帶輪傳遞到從動同步帶輪;旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板固定旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)，可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)掃描平臺步進(jìn)電機(jī)高度，旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板通過側(cè)板固定角碼安裝在旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板上； 浸水旋轉(zhuǎn)部分包括旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板、固定軸承架端蓋、固定軸承架、前浸水旋轉(zhuǎn)軸、銅芯夾持架、銅芯、后浸水旋轉(zhuǎn)軸、可動軸承架、可動軸承架端蓋、水槽、后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承;銅芯、后浸水旋轉(zhuǎn)軸、前浸水旋轉(zhuǎn)軸、后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承、固定軸承架端蓋、可動軸承架端蓋均與從動同步帶輪同軸連接;旋轉(zhuǎn)掃描平臺側(cè)板、固定軸承架、可動軸承架均固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板；固定軸承架和固定軸承架端蓋共同固定前浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承;可動軸承架和可動軸承架端蓋共同固定后浸水旋轉(zhuǎn)軸軸承;可動軸承架調(diào)節(jié)螺栓、可動軸承架調(diào)節(jié)螺母、可動軸承架調(diào)節(jié)墊片將可動軸承架以一種能夠前后調(diào)節(jié)的方式固定在旋轉(zhuǎn)掃描平臺底板上;銅芯夾持架將銅芯固定于前浸水旋轉(zhuǎn)軸上，待測物體套在銅芯上，其內(nèi)表面最小圓截面與銅芯形成過盈配合，且浸水旋轉(zhuǎn)軸與銅芯空隙間填充粘性填充物。
【文檔編號】G01B17/02GK105890554SQ201610216164
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】居冰峰, 楊筱鈺, 孫安玉
【申請人】浙江大學(xué)